Trwałe i wydajne dyski SSD ATP wykonane w technologii pSLC zapewniające optymalne TCO

Wraz z przejściem rynku pamięci masowych z architektury 2D NAND na wielowarstwową 3D NAND oraz rosnącą popularnością systemów Edge AI, IIoT i zaawansowanej analityki danych, wymagania dotyczące niezawodności i wytrzymałości nośników danych w aplikacjach przemysłowych uległy znacznemu zaostrzeniu. Projektanci systemów embedded coraz częściej muszą znaleźć równowagę pomiędzy trwałością (TBW, DWPD), retencją danych, odpornością temperaturową oraz całkowitym kosztem posiadania (TCO). W tym kontekście warto ponownie przyjrzeć się różnicom pomiędzy klasycznym SLC, MLC/TLC a rozwiązaniami typu pSLC.

Pamięć NAND typu „single-level cel” (SLC) zawsze była „złotym standardem” w zastosowaniach przemysłowych, które wymagają maksymalnej niezawodności, wydajności i wytrzymałości. SLC to typ pamięci NAND flash. Przechowuje on tylko jeden bit danych w każdej komórce. Dzięki temu charakteryzuje się większą szybkością zapisu i dłuższą żywotnością. SLC przechowuje mniej danych w pojedynczej komórce. Dlatego też urządzenia oparte na tym typie pamięci NAND są droższe i mają mniejszą pojemność niż urządzenia wykorzystujące inne typy pamięci.

Wyzwania stawiane przed rynkiem OEM

Obszar zastosowań Internet of things (IoT), inteligentne fabryki, pojazdy autonomiczne i inne aplikacje intensywnie przetwarzające dane, zyskują na popularności. Wymagania dotyczące przechowywania danych w takich aplikacjach stają się coraz większe. Organizacje muszą zmagać się z problemami związanymi z infrastrukturą, bezpieczeństwem, różnorodnością i ilością danych. A jednocześnie brać pod uwagę zwrot z inwestycji, aby jak najlepiej wykorzystać swój potencjał.

Ze względu na wysokie koszty użytkowania pamięci SLC Flash, twórcy aplikacji przemysłowych skłaniają się do stosowania pamięci flash typu „multi-level cell” (MLC) lub „triple-level cell” (TLC). Pamięć typu MLC przechowuje dwa bity danych na komórkę, podczas gdy TLC przechowuje trzy bity, dzięki czemu produkty pamięci Flash tego typu są dostępne o większych pojemnościach. Postępy w projektowaniu kontrolerów i architekturze 3D NAND umożliwiły zwiększenie niezawodności pamięci MLC/TLC Flash, ale wiele zastosowań nadal wymaga wyższych poziomów niezawodności i wytrzymałości.

Kolejnym wyzwaniem stojącym przed produktami OEM jest różnorodność zastosowań. Różne obciążenia robocze mogą wymagać różnych wymagań w zakresie oceny i konfiguracji dysków. Aby obniżyć koszty zakupu, niektóre branże wybierają gotowe rozwiązania, które nie spełniają wszystkich wymagań aplikacji. Po wdrożeniu, szybko ulegają zużyciu. Czy to ze względu na duże obciążenie pracą, częste cykle zapisu i kasowania (P/E) lub wysokie temperatury. Niska wytrzymałość, mała tolerancja na ekstremalne temperatury i wysoki poziom błędów ostatecznie doprowadzą do częstszych przestojów systemu. A w konsekwencji wymiany komponentów i ostatecznie do wyższych kosztów.

Dlaczego pamięci typu MLC i TLC Flash działają wolniej i mają krótszą żywotność?

Pamięć typu SLC może pomieścić jeden bit danych, co przekłada się na dwie wartości, 0 lub 1. Komórka jest uważana za „zaprogramowaną” lub zapisaną z wartością 0 i „wymazaną” lub wyczyszczoną, gdy ma wartość 1. Odróżnienie 0 i 1 jest proste i nie wymaga dużego nakładu pracy.

W pamięci typu MLC przechowuje się dwa bity danych na komórkę, dzięki czemu urządzenie może mieć cztery wartości 00, 01, 10 lub 11. Programowanie danych w MLC odbywa się w dwóch krokach, dlatego proces zapisu jest znacznie wolniejszy niż w przypadku SLC. Pamięć typu TLC przechowuje trzy bity danych na komórkę, zwiększając liczbę wartości do ośmiu: 111, 011, 001, 101, 100, 000, 010 i 110. A w rezultacie proces zapisu jest jeszcze wolniejszy niż w przypadku MLC.

Aby zwiększyć gęstość w jednym układzie pamięci, producenci stosują „skalowanie”. Polega ono na zmniejszaniu komórek, aby zmieścić ich więcej w matrycy. Pamięć typu MLC/TLC mieści więcej danych, komórki w macierzy są bliżej siebie. Za każdym razem, gdy dane są zapisywane w komórce, przykładane jest do niej napięcie. Temperatura wzrasta wraz z przyłożeniem większego napięcia. W związku z tym często dochodzi do awarii. W efekcie pamięć MLC/TLC zużywa się szybciej, co z kolei prowadzi do błędów przy odczycie. Zjawisko to nazywane jest interferencją programową (ang. program interference). Poziom błędów wzrasta przy każdej operacji zapisu. Kontrolery MLC zazwyczaj posiadają wydajne algorytmy korekcji błędów, ale zagwarantowanie dokładności wymaga czasu, co skutkuje wolniejszą przepustowością.

Powiązanym zjawiskiem wynikającym ze skalowania komórek pamięci jest zakłócenie odczytu. Gdy odczytywany jest rząd komórek, wpływa on na napięcie progowe otaczających go komórek, co prowadzi do błędów odczytu. To zjawisko niestety także wpływa na żywotność urządzenia.

Standard pseudo SLC (pSLC), „złoty środek”?

W aplikacjach o kluczowym znaczeniu, w których niezawodność i długi czas eksploatacji jest najważniejszy, format SLC byłby idealnym rozwiązaniem. Jednak koszt użytkowania tego typu pamięci flash jest wysoki a pojemność zbyt niska. Pamięci MLC i TLC oferują większą pojemność i są bardziej przyjazne cenowo. Jednak nie spełniają wytycznych pod względem  niezawodności i wytrzymałości. W poszukiwaniu „złotego środka”, który mógłby zaoferować doskonałą wydajność, trwałość i niezawodność jednocześnie oferując dużą pojemność i przystępną cenę, klient trafia na standard pseudo SLC (pSLC). Na rynku jest przedstawiany pod różnymi nazwami handlowymi. Mogą to być: enhanced MLC, superMLC, iSLC, advanced MLC (aMLC). Głównym założeniem tego standardu flash jest usprawnienie działania pamięci MLC/TLC. Ten typ pamięci nadal posiada zalety pamięci MLC/TLC, jednocześnie funkcjonując jak SLC, czyli przechowując tylko jeden bit danych na komórkę zamiast dwóch lub trzech.

Dyski SSD od ATP Electronics, oparte na technologii pSLC oferują najlepszy stosunek całkowitego kosztu urządzenia (TCO) do kosztu w zakresie wytrzymałości (TBW) i możliwej liczbie zapisów na dysku przypadającej na dzień (DWPD).

Najważniejszą zaletą tej generacji dysków jest nowy firmware, opracowany przez ATP i wspierający infrastrukturę produkcji masowej. Umożliwia to dostosowanie urządzenia do wymagań wytrzymałościowych w aplikacji klienta. Dzięki temu dysk może być stosowany w szerokiej gamie zastosowań przemysłowych jak również embedded. W dobie rosnących wymagań w obszarze Internet of things (IIoT) czy obliczeniach brzegowych, dostarczanie optymalnych rozwiązań z zakresu pamięci masowej jest bezcenne.

Dysk SSD A700Pi i E700Pi w standardzie pSLC

Przykładem pamięci typu pSLC, posiadającym zalety zarówno formatu SLC jak i MLC/TLC, jest Linia Premium firmy ATP Electronics. To dyski SSD 3D TLC skonfigurowane jako pSLC. Serie A700Pi oraz E700Pi są przykładem wbudowanych dysków SSD opartych na pamięci pSLC NAND.

Specyfikacja produktów w różnych formatach

Przykładowe produkty w standardzie pSLC

Dyski SSD nowej generacji, wykorzystujące zaawansowane technologie kontrolera i oprogramowania, spełniają wymagania wytrzymałościowe nawet najbardziej wymagających aplikacji. Znajdują także równowagę pomiędzy kosztami, wydajnością i wytrzymałością. Spełniają w ten sposób role jednego z najbardziej optymalnych rozwiązań pamięci flash na rynku.